虚拟仪器B型超声诊断仪的硬件系统设计

　　1　引言

　　虚拟仪器B型超声波诊断仪是虚拟仪器技术与超声仪器发展需求相结合的具体体现.把虚拟仪器B型超声波诊断仪简称为虚拟B超,而把此技术出现前的 B型超声波诊断仪统称为传统B超.两者的区别在于,传统B超中的计算机是嵌入在仪器内部的,是一种嵌入式系统;而虚拟B超则相反,是把仪器嵌入在高性能计 算机体系内部,仪器作为系统的一个部件或外设.它充分体现了虚拟仪器技术的特点,符合医学仪器发展的主客观需要.

　　客观方面,近十年来B超在彩色血流测量、数字化波束形成、谐波成像、三维超声等方面的发展特别引人注目.所有发展最终都归结为一点:高性能计算 机平台及其软硬件技术的应用.主观方面,随着充分掌握检测对象信息的需要以及其他影像仪器发展竞争的影响,超声诊断已要求从单一器官扩大到全身,从静态到 动态,从定性到定量,从模拟到全数字化,从单参数到多参数,从二维到三维,从纵深到横向多角度发展.另外,使仪器实现诊断自动化、智能化和网络化也已经成 为客观需求和主观目标.因此B超的发展面临的是新的信号检测方法、新的数据处理理论、新的成像方式、新的成像算法、更加强大的功能和更高的仪器性能等挑战 所带来的巨大计算量.

　　然而,由于传统B超的系统结构存在嵌入式系统固有的缺陷,比如处理能力有限,处理速度不高、内存特别小等,使得各种先进复杂计算和成像方式都无 法实现.随着以计算机技术为核心的信息技术、电子技术、生物医学工程技术和医学影像存储系统(PACS)、医院信息系统(HIS)等领域理论与技术的自身 迅速发展与相互促进,为这一目标的实现提供了客观的可能.

　　国际上,一些生产厂家在2000年前后,相继提出多媒体B超、基于PC机的B超等概念,并且有相应的产品投放市场.在国内,苏光大、任丽红、孙 应娥等先后提出基于PC机的B超系统.国家科技部在2001年所制定的2002年度科技型中小企业技术创新基金若干重点项目指南中提出了基于PC平台的B 超念,并且作为重点扶持项目[1-7].这些探索都是基于一个目的,就是要充分利用PC机丰富的软硬件资源,强大的处理能力和网络通信功能,使B超在性能 和功能上都上一个台阶.究其本质,就是要突破传统B超体系结构的限制,将B超的成像原理和技术与虚拟仪器技术结合,形成虚拟B超.

　　2　虚拟B超的系统结构

　　虚拟仪器的种类很多.大体上,从虚拟仪器的硬件所处的位置来分,有插卡式(PC-DAQ)和外置式两种.而外置式有接口式(并口或串口)和总线 (GPIB,VXI,PXI)机箱式两种.所以构成虚拟B超的方式也可以采取这几种结构.由于机械电气结构设计和电磁兼容设计的复杂性,需要在下一步工作 中进行严格的设计和验证,所以我们的虚拟B超结构没有采用插卡式,而采用串口式,将虚拟B超的仪器硬件外置,利用USB2.0总线进行数据采集和传输.信 号分析和数据处理以及成像人机界面由仪器软件完成.虚拟B超的框图如图1所示,软件系统结构如图2所示.软件采用NI公司的Labwindows/CVI 结合VC++和MATLAB开发,采用3个探头,1只3.5MHz,96阵元线阵探头;1只5MHz,96阵元线阵式探头;1只3.5MHz,80阵元 R60凸阵式探头.之所以采用3个不同频率和结构的探头,是因为频率不同,分辨率和探测深度也不同,探头额定工作频率高,分辨率高,探测深度小;频率低则 相反.探头结构不同,适用于不同的场合:凸阵探头适用于声窗较小但内部探测区域又较大的部位如胸腔,线阵探头则适用于腹部等声窗较大的部位.